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    類型植保無人機的發展現狀和未來展望.doc

  • 上傳人:小香灰
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    植保 無人機 發展 現狀 未來 展望
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    畢業設計(論文) 植保無人機的發展現狀和未來展望 航空學院 飛行器制造工程 盧杰文 163701101410 學 院: 專 業: 姓 名: 指導老師: 張家峰 學 號: 職 稱: 副教授 中國·珠海 二○二○年五月 北京理工大學珠海學院畢業設計 誠信承諾書 本人鄭重承諾:我所呈交的畢業設計《植保無人機的發展現狀和未 來展望》是在張家峰副教授的指導下,獨立開展研究取得的成果,文中 引用他人的觀點和材料,均在文后按順序列出其參考文獻,設計(論文) 使用的數據真實可靠。 承諾人簽名 盧杰文 日期: 2020 年 5 月 1 日 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) I 植保無人機的發展現狀和未來展望 摘 要 我國長期以來是一個傳統的糧食生產大國,我國糧食生產的安全會直接地影響到我國 的社會經濟發展的平穩,但在推進我國特色社會主義經濟建設和發展的過程中,有越來越 多的農田和耕地遭受到了農藥噴灑污染和病蟲問題的嚴重影響。植保專用無人機農藥噴 灑作為一種新式的防治病蟲手段,相比于老式的人工地面施藥和大型農業飛機施藥有其獨 特的應用優勢,使得植保專用無人機逐步發展成為我國防治蟲害的主要手段。雖然我國現 階段已經在不同的地區成功實行了植保無人機的研發技術試點和示范工程,同時也在進一 步擴大對植保專用無人機技術研發的資金支持。但是植保無人機滯后的推廣和技術研發 已經在我國成為了無可厚非的事實。此文章主要想通過對國內一些重點地區的措施實行 情況和措施進行了分析,列舉和指出實踐中浮現的一些問題。本文主要想通過對應國內一 些地區的實行情況進行分析,列舉出浮現的問題。通過對照日本的相似案例,分析日本 措施的優勢和中國措施的不足之處,在事例中總結出中國植保無人機推廣和研發需要完 善之處,尤其是農藥噴灑技術的研發,植保無人機的行業標準和管理模式上,并對植保 無人機行業的未來進行一定的展望。 關鍵詞:植保無人機發展現狀 農藥噴灑技術 行業標準 管理模式 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) II The development status and future prospect of UAV ABSTRACT China is a country with large grain production. The safety of grain production in China is directly related to the stability of China's social development, but in the process of China's social and economic development, more and more farmland has been affected by the pollution problem. Plant protection UAV as a new pest control means, compared with the traditional ground application of pesticides and manned aircraft application of agricultural medicine has its unique advantages, so that plant protection UAV will become the main means of pest control. At this stage, China has implemented pilot projects of plant protection UAV in many places, and is also increasing the research and development of plant protection UAV technology. But the slow promotion and development of plant protection UAVs has become an indisputable fact. The purpose of this article is to analyze the implementation situation in some parts of China and to list the emerging problems. And by comparing with similar cases in Japan, this paper analyzes the advantages of Japanese measures and the shortcomings of Chinese measures, and summarizes the need for improvement in the promotion and development of plant protection UAV in China, especially the research and development of pesticide spraying technology, the industry standard and management mode of plant protection UAV, and makes a certain forecast for plant protection UAV industry. Key words: Development Status of Plant Protection UAV,Pesticide spraying technology, Plant Protection UAV Industry Standards,Management Mode of Plant Protection UAV 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT .II 1 引 言 .1 2 中日植保無人機的現狀 .2 2.1 日本植保無人機發展概況 .2 2.2 國內植保無人機發展現狀 .3 2.2.1 國內植保無人機發展概況 .3 2.2.2 無人機涉農航化作業現狀 .4 3 國內植保無人機發展主要面臨的問題 .7 3.1 植保無人機在推廣方面存在的問題 .7 3.2 植保無人機在技術方面 存在的問題 .8 3.3 植保無人機在安全管理方面存在的問題 .9 4 中日分別采取的措施 10 4.1 日本采取的措施 10 4.1.1 無人機技術方面 11 4.1.2 無人機管理方面 12 4.2 國內采取的措施 14 4.2.1 技術方面 15 4.2.2 管理方面 16 5 植保無人機發展建議 18 5.1 完善無人機政策,降低行業門檻 18 5.2 構建行業標準 19 5.3 發展無人機核心技術 20 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) IV 6 植保無人機的展望 21 6.1 研發更便攜流暢安全的移動操作平臺 21 6.2 性能更強的無人機 21 6.3 優良的農業航空植保靜電超低容量施藥技術 21 6.4 優良的實時性主動避障技術 21 6.5 產學研合作模式逐漸壯大 22 6.6 互聯網與植保無人機業相互結合模式的形成 22 結語 .23 參考文獻 .24 謝 辭 .26 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 1 1 引 言 隨著當前我國現代工業化和新型城鎮化等各個階段加速推進和發展,我國農業的勞動 力開始從農村向城鎮進行大量的勞動力轉移,同時也引發了農業的用工規模大幅下降和成 本的大幅上升,勞動力的不足以及農村勞動力昂貴的問題成為了當前限制農村現代農業快 速發展的主要因素;另一方面,日益增長的農產品種植市場需求量也迫使當前農業不斷地 加快發展家庭農場、新型的農業集體經濟和種植生產大戶的經營規模。因此,隨著農產品 種植大戶規模的增加和不斷擴大,我國目前舊式的小型背負式農產品噴霧處理裝置已經不 能很好地滿足快速發展的農業專業化防治病蟲害的需求。 植保無人機施藥作為一種新興的防治病蟲害的方式,相比于常規的人工地面噴灑農藥 和農業飛機施農藥占據一定的上風,使得植保無人機將快速發展成為現代農業防治病蟲害 市場的霸主。植保無人機的快速發展將大大地推動我國現代農業的快速穩定健康發展。 由于我國一直以來受到過時的現代農藥噴灑設備及其運用的相關技術的限制,導致我國農 藥的有效利用程度一直都處于十分低的水平,依據國務院農業部的信息所示 2017 年我國 的農藥綜合的有效使用率僅為 38%,大部分都是殘留在農田里,不僅嚴重污染了環境,還 造成了大量的農藥資源浪費。我國農村適齡勞動力在逐步縮減,農民要面對的從業問題不 僅是逐漸提升的從業成本,還包括越來越少有人真正愿意在給農作物施農藥防病蟲害方面 努力賺錢的農村嚴峻形勢。 隨著我國農村土地的流轉和農業現代化速度的進一步加快,現代智能農機的研發和應 用已經落后于我國對現代農業的發展需求。植保無人機在農業上能實現多種應用對于一 個雖然農用地占用面積大但是地形復雜的正在發展現代農業的大國來說,具有無法預估的 社會價值,植保專用的無人機不僅有很高的植保工作效率,而且遠程操控便于保護從業者 的生命安全。同時,不需要太多的勞動力,節省了農業投入的成本,極大地提高了農民的經 濟收入。 雖然無人機在我國農業上具有巨大的應用價值。但與其他的行業相比,農業可獲取的 利潤少,并且小型植保無人機行業才剛剛起步,在產品研發上需要較大的資金投入,導致植 保無人機的產品價格比傳統的施藥器械高。同時國家滯后的政策法規,行業標準,配套設 施以及服務,導致植保無人機產業的應用和推廣工作更加困難重重。所以,研究一條適合 中國國情的植保無人機發展道路是現在的重中之重。 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 2 2 中日植保無人機的現狀 2.1 日本植保無人機發展概況 在二十世紀五十年代至七十年代,日本經濟開始高速增長,日本農村的年輕勞動力 開始往城市遷移,與此同時日本農村的老齡人口在不斷上升。當時為了保障糧食的生產 安全不受影響,日本在稻田的病蟲害防治行動中第一次使用了攜帶農藥噴施裝置的直升 飛機,并對一百公頃的農田進行了噴施。五年之后,日本幾乎所有的農田都開始使用直 升飛機進行農藥噴施。但是,直升飛機在進行農藥噴施時往往處于相對較快的飛行速度 和相對較高的飛行高度,導致飛機安全事故頻發,并且出現大量農藥飄移的問題。因此 在二十世紀八十年代日本決定把無人直升飛機也引進農藥噴施的做業中,與此同時日本 雅馬哈發動機公司開始了農用植保無人機的研究,并在 1987 年研制出世界上第 1 臺用 于工業的無人直升機 R50;二十世紀九十年代,日本開始實行促進植保無人機應用于農 業的政策,在有利政策的扶持下,一大批與植保無人機相關的企業應運而生。之后的三 年里,植保無人機的保有量以每年增加 67 臺的速度增長,與此同時相應的植保無人機作 業面積也提高到了 123 公頃;通過科研人員十年的努力,日本研制出了能進行飛行姿態 控制和 GPS 導航的新機型;在接下來的日子里,日本植保無人機的保有量一直以較快的 速度增長,到了 2015 年達到 了 2668 臺。即將在兩年后投入使用的 FAZERR G2 型無人 機最大能攜帶 40 公斤的物品,并且能持續飛行 90 千米。 在 2013 年日本測試人員運用各種常用于病蟲害防治的措施分別對 1 公頃實驗田進行 作業并做出了有關病蟲害防治效果和作業效率的詳細調查,調查表明無人機作業時間最 少,僅用了 10 分鐘。據統計,在水稻病蟲害防治中作業人員運用植保無人機的比例是載 人直升機的 11 倍.但是地面乘坐式噴霧器和背負式噴霧器的覆蓋率占半數以上也看出了 無人植保飛機的技術還未達到能應對所有種植情況的水平。通過 1995-2014 年的統計數 據可知,植保無人機水稻防治面積所占百分比在逐漸提升,載人直升機水稻防治面積所 占百分比在逐漸下降,,自從 2003 年載人直升機的防治面積第一次少于植保無人機防治 面積后,植保無人機的植保防治作業率一直處于領先,因此,載人直升機被植保無人機 取代是無法阻擋的必然趨勢。 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 3 2.2 國內植保無人機發展現狀 2.2.1 國內植保無人機發展概況 二十世紀六十年代,國內首次使用運輸飛機進行廣州市的蚊蠅防治作業,開始了中 國農業航空的新篇章。之后的幾十年中,我國農業航空運輸業的相關企業的規模和數量 正在逐年快速增加。一直到了 2012 年,我國的農業航空業全年能銷售 3.2 萬架飛機。當 時,我國在農業航空領域主要發展的是直升機技術和載人飛機技術,而將無人機應用于 農業植保上的工作才剛剛開始。在 2008 年我國第 1 架植保無人機在無錫誕生。從 2010 年開始,植保無人機行業漸漸興盛起來,并迅速發展了起來。伴隨著無人機飛行姿態控 制技術的漸漸成熟和制造無人機的技術門檻進一步降低,小型農用植保無人機越來越受 農民的歡迎。無人機是一個結合了航空技術和農業機械技術的新事物,能快速響應指令, 機械自動化程度高,不需要專門用于起飛降落的場地,很大程度上適合應用在農民無法 進行地面作業或地面植保機械無法到達的特殊區域,并且可以有效地應對蝗蟲疫情等突 發事件。在 2011 年國內首個“農業航空產業技術創新戰略聯盟”成立,其由華南農業 大學、科學技術部中國農村技術開發中心等 27 家單位聯合組成?,F在,我國植保無人機 的常用動力主要分為油動力和電動力兩種,常用的旋翼結構有三種,分別是固定翼、單 旋翼和多旋翼;植保無人機主要被用于保護農林業相關植物的工作上,操縱員使用遙控 器在地面操控無人機進行以病蟲害的防治保護和農林作物的播種為主的噴灑作業。在 2014 年中央明確地提出了要大力加強農用航空業建設的方針。自 2017 年起,為了有效 促進農用植保無人機的平穩發展,國家發布了開展以農機購置補貼來引導植保無人機業 快速發展的通知,可以看出國家在積極采取政策去推動植保無人機行業的快速發展。 2.2.2 無人機涉農航化作業現狀 截至 2016 年底,根據網絡上的數據統計可知,從事與農業專用無人機相關的生產銷 售、科技研究和開發、人才培訓、作業服務保障等單位大概有 192 個,它們分別來自 23 個不同的地區。按從事工作的類型進行分類統計如圖 2-1,生產銷售類單位占比最多約 占六成,科技研究和開發類單位約占一成,作業服務保障類單位約占一成半,人才培訓 類和金融保險單位加起來約占一成。從單位所在地區進行分類如圖 2-2,其中廣東省擁 有的無人機企業數量排首位,約占全國總數的五分之一,其次是北京市,北京市擁有 24 家無人機企業,約占全國總數的十分之一。由上訴數據可知,當前農用無人機業比較注 重生產銷售,但科技研究和開發類、作業服務類、人才培養類等單位的投入的較少。我 推測,技術研發、配套服務、人才培養、保險等方面的滯后可能是這樣不合理的產業結 構造成的。 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 4 目前,我國植保無人機大概有 233 種機型,按升力部件進行分類如圖 2-3,主要是 多旋翼機型和單旋翼機型,其中多旋翼有 168 種,約占七成,單旋翼有 64 種, 約占三 成;按無人機使用的動力分類,主要以電池動力為主,電池動力大概占八成,油動力大 概占兩成。通過分析數據可知,當前中國植保無人機大多為電動多旋翼機型。因為多旋 翼機型相較于其他機型具有易維護、易操縱以及易起飛降落等特點。 根據統計數據,目前我國植保無人機中有效載荷量為 10kg 的機型最多,大概占三 成,然后是有效載荷為 5 kg 的機型和有效載荷為 15 kg 的機型分別占一成,有效載荷為 20 kg 的機型占比不足一成。通過分析數據可知,有效載荷量為 10 kg 的植保無人機機 型是國內生產制造的主流。從作業的效率來分析,無人機的有效載荷量越大,可攜帶的 藥劑也就越多,每架無人機可以噴施的面積就越大,無人機的作業效率也越高,但是與 此同時單位時間內需要的動力能量越多,對無人機續航的要求就越高,需要準備的電池 也越多,成本就越高。就目前技術水平而言,有效載荷量為 10 kg 的機型應該是在同等 條件下效率最高最適合現在作業情況的機型。 由圖 2-5 可知,截至 2018 年,全國的植保無人機總保有量達到 3.15 萬架,與 2017 年的保有量相比增長了 225%;總的作業面積達到 2.67 億畝次,與 2017 年的作業面積相 比增長了 267%。由此可知,植保無人機正在被廣泛應用于航空植保作業,發展的前景一 片光明。 截至 2019 年底,在民航局登記了的民用無人機駕駛員總數有 67218 人,這些駕駛 員主要分布在與民用無人機相關的應用單位、負責民用無人機生產研發的企業以及擁有 無人機相關專業的大專院校等。2019 年的數量比 2016 年的增長近 7 倍。由數據可知近 幾年,我國正在一步一步地出臺與無人機管理有關的法律法規以及行業體系的逐步完善, 各方開始努力培訓更多的無人機駕駛員;也可看出當前無人機駕駛員的數量嚴重不足已 成為不可忽視的巨大漏洞,培養的速度遠遠趕不上需求量。由數據公司提供的數據進行 分析可以發現,截至 2019 年 12 月 31 日,我國所有的無人機企業一年的銷售量可以達到 一百九十六萬架無人機,其中有一百五十萬架是消費級無人機,而工業無人機賣出了四 十六萬架,專家預測在未來 5 年里無人機企業對無人機駕駛員人才的需求將達到接近 100 萬人。有機構對無人機市場份額進行分析得出,其中有大概一成半的資金用于進行 無人機的相關試驗,有約一成到兩成的資金用于進行與無人機有關的維護服務,而且現 在這些提供行業配套服務的企業最缺乏的是無人機操縱員駕駛無人機的技能和對無人機 進行維護的經驗。我們都知道無人機產業在未來可能達到千億級規模,所以我國無人機 駕駛員的缺口問題急需得到解決。 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 5 圖 2-1 涉及農用無人機單位類型的占比 圖 2-2 涉及農用無人機單位分布的占比 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 6 圖 2-3 植保無人機升力部件的占比 圖 2-4 植保無人機動力部件的占比 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 7 圖 2-5 2014-2018 我國植保無人機保有量及作業面積統計 3 國內植保無人機發展主要面臨的問題 3.1 植保無人機在推廣方面存在的問題 (1)現在的推廣方式無法滿足農戶的需求 植保無人機作為一種新興的害蟲防治農業器械,有著巨大的市場價值和廣闊的發展 前景,但在農戶面前通過直接演示無人機效果的銷售手段有點操之過急,還需要給農戶 們一個慢慢接受的過程。第一,按經驗來說要使無人機高效的作業,需要有一大片相互 連接的農田,但是大部分農戶擁有的農田是有限的而且分布不集中,要讓農戶們單獨接 受無人機植保服務會面臨成本上升的問題。第二,從農戶適用情況出發,因為對于農戶 來說單獨購買一臺無人機的成本實在太高了,而且買回來就單一農戶使用可能還沒舊的 人工噴灑工具順手,所以農戶都不太情愿購買無人機。第三,因為農戶的受教育水平和 認知水平可能比較有限,所以對新技術或多或少有所抵觸,同時自身資金有限,對新技 術存在質疑,不敢冒險嘗試。目前大部分農戶依然采取傳統的植保作業手段去進行防治。 (2)不健全的無人機航空政策法規體系 植保無人機航空作業牽涉到民用航空管理、農業機械、產品質量檢測等多個政府部 門,目前國家還未對無人機管理相關的責任義務對各部門進行明確細致的劃分,所以暫 時還沒有明確的監管部門。雖然我國在 2010 年實行了一步一步對農業航空作業領域開 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 8 放低空空域使用權限的政策,但我國對農業航空的管理標準依然將現有的民用航空標準 照搬進去,民用航空法規體系中的條款對無人機無法起到針對性管理作用。無人機相關 的技術標準及作業規程并不完善和規范;無人機航空飛行作業相關的申報審批流程繁多, 不僅間接地提高了無人機航空作業所需的成本,還容易錯失農作物的最佳作業時機,甚 至可能導致無人機航空作業無法達到效果; 目前為止,我國雖然實行了一些促進我國農 業航空產業快速發展的國家政策,但是還未見到明顯的效果,國家還未統一對農用無人 機的采購、農用無人機做業補貼等推出相應的完善的扶持政策,暫時只在部分試點實行 扶持政策,而且還并不完善,有些黑心企業通過補貼漏洞進行惡意競爭。 (3)不完善的無人機航空作業社會標準化服務體系 目前無人機航空作業還沒有充分展現出在農業生產中所能起到的重要作用,是因為 我國與無人機航空產業相關的各項社會標準化配套服務尚未形成規模,比如植保無人機 租賃服務、負責聯系植保服務公司和農戶的中介服務、無人機駕駛員培訓中心、無人機 維修服務、與無人機相關的融資服務、無人機相關保險服務等,由于一個企業無法承受 上述各項服務的成本支出,因此需要國家負責調配相應行業的資源才能促使配套服務快 速形成規模。 (4)農田作業環境基礎建設需要和無人機相配合 在以前我們技術比較落后時,我們常常會覺得無人機航空作業技術要求肯定很高, 在農業生產中普通農戶用不起無人機?,F在我國的科技趕上來了,已經可以以低成本對 農業進行高效益的航空作業,但是由于無人機行業的推廣力度還不夠,農戶對現代農業 機械的認識還不足,所以造成無人機航空作業的市場需求量較低,大部分人都處于觀望 的狀態。另外,由于我國農戶普遍采用分散經營土地的生產農作物模式,造成我國的農 田面積小而位置分散,與無人機航空規?;鳂I的適用條件有所差異。在規劃各地的農 田時,沒有運用集約化經營的理念去進行安排,在安裝電力設備,消防設備等配套設備 時都未將無人機航空作業這一安全因素納入考慮的范圍內,可能嚴重威脅到無人機的飛 行安全。 3.2 植保無人機在技術方面存在的問題 (1)產品的質量問題 我國植保無人機行業還處于剛剛起步的階段,國家對無人機的各項標準并沒有明確 的規定,而且我國在無人機上的核心技術并沒成熟,很大部分企業并不具備自主研發的 實力,企業大都是靠組裝制造無人機產品,所以造成市場上產品的質量千差萬別。在使 用無人機產品的過程中常會出現一些安全問題,比如無人機使用次數越多,故障率就會 越高。在給農戶進行無人機作業演示時,可能會有無法操控無人機和突然墜落的現象, 造成農戶的擔憂,使他們有所抵觸,。 (2)費用高 由于與農業植保無人機有關的基礎科學研究水平較低和核心技術的研究開發能力落 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 9 后,造成產品更新換代能力不足和生產能力不足,無法形成大規模生產并使經濟效應提 高,從而導致產品價格上升和維護保養的成本升高。據我所知,買一臺功能不齊全性能 一般的植保無人機的價格往往在十萬到二十萬元,而一臺功能完善性能較好植保無人機 的價格至少需要三十萬元,高額的成本加上不完善的補貼政策使大部分農戶都處于觀望 的狀態。而且在無人機使用過程中需要不斷消耗鋰電池,這樣將會大大提高植保無人機 附帶的使用成本。 (3)未研發出無人機航空專用的噴灑用劑 目前市面上的植保無人機配備的噴霧器一般都是只能容納較少的農藥,據研究表明 油劑型農藥是更適合植保無人機的?,F在市面上大多數農藥的劑型都是可濕性粉劑,但 是這種劑型是專門為常規噴霧設備設計的,它并不能完全適用于植保無人機。所以目前 植保無人機作業人員該如何選擇合適的農藥試劑是一個令人困擾的問題。我國目前還未 為植保無人機設計研發出配套的農藥制劑,并制定與其相關的各種技術標準,而且在對 植保無人機航空作業中農藥藥液的黏度、表面張力等的基礎科學研究還比較落后,還未 能形成一套評價標準用于檢測藥液合不合格。 (4)藥液漂移的問題 在有風的情況下,無人機在空中進行藥液噴灑十分容易出現藥液飄移。據我所知, 無人機做業一般在單一農作物種植面積大的地方比如黑龍江、新疆等的耕地。如果要對 一大片農作物中的某一部分農作物進行噴施,必須解決好藥液飄移問題。 (5)未形成一套完善的植保無人機噴施作業技術標準 由于我國最近幾年才開始采用植保無人機進行噴施農藥,以前主要使用固定機翼機 型的農業飛機進行航空植保作業。對于單軸和多軸無人機進行空中作業時有關的各項技 術參考標準還沒有進行深入的研究,無法建立一套科學完善的系統用于在不同的條件下 判斷無人機進行空中作業的作業時機,飛行速度,飛行高度,航線規劃等數據的最佳選 擇。 (6)無人機噴灑裝備的關鍵部件還無法做到低重量與高效兼得 根據研究表明,植保無人機的續航時間和有效載荷量是用來判斷無人機航空作業效 率的兩項相當重要的參考指標,因此,要做到精確噴施提高植保無人機作業的效率,我 國必須能制造出能實現低量噴施,均勻噴施并且輕量的無人機噴施裝備。如果無人機配 套的噴施設備性能不夠好,無法有效擊中目標,則無法體現出植保無人機防治技術的優 勢所在。 (7)缺乏大量植保無人機人才組成的專業隊伍 無人機企業普遍把經濟效益當作發展的重點,所以無人機行業人才培養機制是相對 落后的。而國內只有少數的擁有無人機專業的高校和培訓機構,是遠遠無法滿足國內無 人機行業對無人機相關人才的巨大需求量的。專業人員預測我國植保無人機從業人員的 需求量將在 2020 年達四十萬人。據統計,直到 2019 年底,民航局一共只頒發了 67218 本無人機駕駛員執照。由上面的數據可以看出需求的缺口是相當巨大的,無人機行業需 要通過更多方式去培訓無人機操控員和完善無人機的人才儲備。 3.3 植保無人機在安全管理方面存在的問題 (1)植保無人機尚無牌證管理具體規定 依據農業機械安全管理的有關規定,播種機、拖拉機等農業機械需進行儀器安全檢 驗并登記上牌,而且農業機械相關的操作人員必需經過專業的培訓、并通過考試才能取 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 10 得相應操作證件,其中規定并沒有對植保無人機做出明確的規定。各地方性法規也沒有 針對無人機的具體規定,以湖南省的相關規定為例,根據湖南省管理農業機械的有關規 定,需要到道路行駛的相關農業機械必須實行牌證管理,不需要到路面行駛但是涉及到 人的身體安全的農業機械須登記相關資料進行管理。植保無人機屬于其他以動力裝置驅 動的農業機械,但又不是在道路駕駛的,所以無法實行牌證管理,依據不充分,且目前 沒有針對植保無人機牌證的具體管理規定。因此,僅可對植保無人機進行登記管理,無 法達到統一規范,容易出現安全事故,發生事故責任都無法明確,做業情況易陷入停滯。 目前沒有農業機械方面的法律法規對植保無人機駕駛員證的資格進行規范,農業機 械安全監理機構也沒有資格對植保無人機駕駛員實施考試。而根據《民用無人機駕駛員 管理規定》規定,植保無人機屬第五類無人機,行業協會負責管理無人機駕駛員,只有 民航局的相關部門可以對無人機實施監督管理。 (2)監管部門暫無設立安全檢驗相關的技術規范 依據農業機械安全管理的有關規定,縣級以上政府的負責農業機械的主管部門應該 對可能威脅人身財產安全的農用機械定期地進行免費的實地安全性能檢驗,但是目前國 內還未建立與植保無人機安全監督管理有關的檢驗技術規范,無法進行安全檢驗,存在很 大的安全隱患。 (3)有關部門缺乏相應協作管理機制 植保無人機屬于民用航空器,又屬于農業生產機械。中國民用航空局對其管理有相 應的法律依據, 并且制定了一些規章及管理規定,有相應的技術人員與管理經驗,農業 機械管理部門對植保無人機管理幾乎可以說是空白。但中國民用航空局是國家垂直管理 機構,僅分華北、中南、西南等七個地區管理局,地區管理局一般在所管轄的省份設有 派出機構,但沒有到市、縣一級的機構。 如何與中國民用航空局進行數據互享、協作管 理,如何對植保無人機生產經營單位進行管理缺乏相應部門協作機制。 (4)農機監理部門人員安全監督管理能力有待加強 植保無人機雖從 2013 年開始逐漸進入農業植保領域,但對于廣大農機監理人員來 說仍然是新生事物,且缺乏相應具體的國家法律、法規及管理規定,農機監理人員也沒 有接受有關法律法規、 植保無人機安全監督管理的培訓。 農機監理人員可能沒有相應 的管理資格,不能有效進行安全監督管理。 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 11 4 中日分別采取的措施 4.1 日本采取的措施 4.1.1 無人機技術方面 (1)大力發展農業航空施藥關鍵技術 日本正在通過大力發展植保無人機航空施藥技術來達成無人機能精確地給農作物噴 施農藥的目標,對農作物實現高效率的病蟲草害防治作業行動。要能對農作物實施精準 施藥的其中一個必要條件是擁有一套完善的農作物病蟲害信息監測系統,能夠準確地監 控到植物的各種參數在不同情況下發生的變化,日本專家認為無人機航空施藥技術中最 重要的幾個技術有:農藥變量噴施技術、精確的無人機導航控制技術和農業航空專用遙 感技術。精準施藥系統的大概實現流程如下:先通過各種信息采集方式如:GPS 技術、 無人機機載遙感器測量等方式獲取農作物相關的病蟲草害防治信息,通過系統計算生成 一張包含農作物實現精準施藥相關各項技術參數和步驟的處方圖,無人機通過精確定位 飛行導航系統到達在施藥地點的上方按處方圖的各項參數對農作物進行科學準確地農藥 噴施,再通過精確的農藥變量噴施系統對每一棵農作物實現足量且有效的噴施,并極可 能的減少農藥的殘留以達到保護環境、減少資源浪費的目的。 (2)大力發展農業航空遙感技術 遙感是一種通過不接觸的方式遠距離靠儀器獲取物體的電磁波特性信息,再通過對 獲取信息的分析得出物體特征性質及變化的技術。目前常用的通過遙感獲取信息的方式 為三種:通過地面機器搭載的傳感器對目標物體的信息進行探測、通過把各種飛行器作 為傳感器的載體在空中對目標物體進行探測和通過衛星等航天器的遙感技術平臺對目標 物體進行探測。這三種方式各有不同的特點:但是在應用于獲取農作物病蟲害和生長信 息上時,這些遙感方式都有一些不足之處,不能得心應手,所以十分需要研究一種專門 應用于農業航空作業的遙感信息獲取技術。因此日本將農業航空遙感信息獲取技術設定 為未來農業航空技術研究的重中之中。 二十世紀九十年代初,日本秋田縣立大學大學部與日本國家航天管理局合作,第一 次在日本完成了監測水稻從移栽到收獲不同生長階段的電磁波特性信息的試驗,日本專 家打算通過這次試驗來探究水稻的生長態勢和微波的后向散射特性之間的聯系。由此可 以看出日本在關鍵技術的研究已領先我國很多。最近幾年,日本對農業航空遙感技術進 行了許多研究,特別在獲得各種農作物的農情信息上。通過遙感技術監測水稻生長過程 中氮元素含量的變化判斷是否為水稻追施氮肥。有的日本專家通過航空高光譜相機去獲 得水稻相關的農情信息,提出了一種綜合 Lasso 回歸模型算法和 AIC 原則的新方法估算 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 12 水稻長勢、產量以及蛋白質含量。在 2014 年測試人員對水稻種植區實施了一次利用無人 機搭載小型相機對水稻長勢進行拍攝的水稻生長監測試驗,隨后使用三維建模軟件對拍 攝圖像進行后期處理,通過模型分析與水稻相關生物信息。這種新的遙感監測方法相比 于其他的遙感監測方法,不僅獲取信息的成本更低而且時間更為靈活,十分適合運用在 農業航空上。 (3)大力發展精準的無人機導航控制技術 無人機要實現精準的定點噴施的必須擁有精準的無人機導航控制系統。日本專家在 研究中為了研發出更精準的無人機導航控制技術進行多次嘗試,有專家嘗試用實時動態 載波相位差分技術與慣性導航系統技術結合來搭建無人機精準導航控制系統。而后為了 研究出比 GPS 更精確的導航控制技術運用無人直升機搭載用于導航控制的偽衛星裝置進 行試驗,發現了這種方式確實比 GPS 定位更為精準和可靠,并開發了一套搭配使用的三 維地理信息地圖系統用于進行精準的航空規劃。雅馬哈公司在這些研究的基礎上研制出 了 RMAX 型工業專用無人機,它可以實現對水稻精準噴施農藥。專家們對已有的 RMAX 型 無人機的工作情況進行研究,發現無人機在精準施藥噴施作業時的飛行高度一般在三到 四米,這個飛行高度屬于低空,容易出現意外事故,為了保障人身財產安全,專家需要 研究出更好的無人機自動躲避障礙物的飛行控制技術。于是日本的專家們紛紛開始加入 無人機自動避障控制系統的研究,為了實現無人機的自動避障控制與導航功能,專家們 開始去構建非線性模型預測控制算法來完成自動避障,還通過構建相應作業環境下的自 適應控制算法使無人機能抵消外界環境可能產生的干擾,讓無人機在空中能穩定飛行。 隨后專家們綜合考慮多種因素,為了克服環境的不確定性,運用抗干擾較強的變結構控 制原理去構建算法,為了實現無人機在任何地形都能平穩地起飛和降落,并且在空中穩 定地懸停。 4.1.2 無人機管理方面 (1)日本政府管理無人機的措施 日本政府在農業機械監督管理上從中央到地方分為兩級,國家層面的事務交由農林 水產省管理,地方層面的事務由地方農政局負責。其中農林水產省中的消費安全局負責 管理日本植保無人機的相關事務,在地方則相應的由地方農政局的消費安全部負責管理。 農林水產省在 2017 年發布的《無人機植保農藥配施利用技術指導準則》,此準則 對植保無人機施藥作業時的各項注意事項進行了明確的要求;并對實施航空植保工作的 主體單位制定了嚴格的規定;詳細說明了植保作業實施效果報告書和航空植保作業實施 計劃書該如何填寫和上交;還有當各種意外發生時該如何處理。具體內容如下 (1)植保無人機施藥作業計劃書需要填寫植保無人機的施藥單位和施藥農戶的名稱、 北京理工大學珠海學院 2020 年 16 級本科生畢業設計(論文) 13 植保無人機操作員的姓名和無人機駕駛執照編號、進行施藥的地點、進行施藥的無人機 機型、施藥農作物的名稱、農作物主要病蟲害的名稱和特征、施藥農田的面積等詳細內 容; (2)植保無人機空中施藥事故發生報告書(圖 4-1)需要詳細填寫植保無人機噴施 農藥時是如何發生意外事故的、發生意外事故后采取的應對措施、對無人機發生意外事 故的原因進行分析乃至下次發生同類事故的應對方針; (3)植保無人機航空施藥作業實施效果評估報告需要填寫計劃書中所提及的信息和 實施作業的時間,并由作業單位和農戶一起確認并提交給地方農政局。報告書如圖所示 與中國現狀有差異的是日本的植保無人機空中施藥事務由農林水產省的消費安全局 和國土交通省的航空局兩個部門聯合管理,相當于國內的農業機械管理局和民航局聯合 管理無人機事務。這兩個部門聯合發布了有關植保無人機空中施藥飛行的法令法規文件, 此文件明確規定了辦理植保無人機作業的手續步驟和作業的登記確認流程,詳細地列舉 了申請作業所要提供的具體內容如無人機飛行高度、無人機的航線和目的、作業領域的 范圍等,該法令使兩個部門對植保無人機事務的可以統一進行管理,使部門分工更加明 確。 (2)民間社團組織農林水產航空協會的協助管理 在二十世紀六十年代,在日本從事植保無人機行業的人們建立了一個民間的社團組 織,這個組織叫做農林水產航空協會,這個協會旨在合理利用農業航空相關技術,以確 保農業能健康穩定地發展,利用先進技術提高糧食的生產率,使人民能放心的使用糧食, 減少農藥的污染,保護自然生態環境,協會的主要工作形式是:鼓勵并支持開展與農業 航空相關的技術研究,對無人機企業的培訓人員進行農業航空安全的教育,協助植保無 人機企業進行質量安
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